CN113690512B - 电池组热电交换冷启动预热及废热能量回收系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热电交换冷启动预热及废热能量回收系统，包括电池组、热电发生器和散热器，电池组设置有冷却剂出口和冷却剂入口，冷却剂出口、热电发生器、散热器和冷却剂入口通过冷却剂循环管路依次相连；电池组与热电发生器电联接。本发明还提供使用上述热电交换冷启动预热及废热能量回收系统进行冷启动预热及废热能量回收的方法。本发明的系统及方法能够使动力电池组快速冷启动，且能够进行高效能量回收，节能减排，增大续航里程。

Description

电池组热电交换冷启动预热及废热能量回收系统及方法
技术领域
本发明涉及一种冷启动预热及废热能量回收系统及方法，具体涉及一种电池组热电交换冷启动预热及废热能量回收系统及方法。
背景技术
电动汽车的电池需要在最佳工作温度范围(15℃～26℃)内工作，当温度低于4℃或高于45℃时，电池就无法发挥其最佳性能。随着温度降低，单元电池内的电解液变得流动缓慢，充放电能力下降。因此，电动汽车通常需要复杂的电池热管理系统来加热或冷却电池。相比于内燃机车辆中的内燃机在做功的同时产生热量从而加热发动机和汽车内部环境，电动汽车必须消耗电力来加热动力电池组以及汽车内部环境，这种电力消耗会导致动力电池组中可用于驱动电动汽车的电能减少。
热电发生器(Thermo Electric Generator，TEG)是介于热通量(温差)和电能之间的固态能量转换设备。热电发生器具有双向特性，可以在基于塞贝克效应(Seebeckeffect)的发电模式下或基于珀尔帖效应(Peltier effect)的加热冷却模式下工作。热电发生器没有活动部件，不仅可以用作发电机，还可以用作加热或冷却装置。在能量产生模式中，热电发电器可以将原本浪费的热能的一部分直接转换为电能。在加热-冷却模式下，热电发电器加热性能系数(COP)高于常规液体冷却技术，通过在热电发电器上施加电压可释放热量以提高温度。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够使动力电池组快速冷启动并能够进行高效能量回收的电池组热电交换冷启动预热及废热能量回收系统；本发明的另一目的是提供能够使动力电池组快速冷启动并能够进行高效能量回收的电池组热电交换冷启动预热及废热能量回收方法。
技术方案：本发明提供一种热电交换冷启动预热及废热能量回收系统，包括电池组、热电发生器和散热器，电池组设置有冷却剂出口和冷却剂入口，冷却剂出口、热电发生器、散热器和冷却剂入口通过冷却剂循环管路依次相连；电池组与热电发生器电联接。
上述冷却剂出口和冷却剂入口用于将电池组的冷却剂排出至冷却剂循环管路，并经过一系列装置(如热电发生器等)的处理重新回到电池组；散热器用于在废热回收(WasteHeat Recovery,WHR)模式下对冷却剂进行降温。
优选地，上述热电交换冷启动预热及废热能量回收系统还包括三向阀，冷却剂出口、热电发生器、三向阀、散热器和冷却剂入口通过冷却剂循环管路依次相连；散热器设置有散热器入口和散热器出口，三向阀与散热器出口通过旁路管路直接相连；可在不需要对冷却剂进行降温或对冷却剂进行少量降温的情况下，通过控制三向阀来使部分或全部冷却剂流经旁路管路而不流经散热器，灵活控制冷却剂温度。
优选地，上述热电交换冷启动预热及废热能量回收系统还包括设置在冷却剂循环管路上的冷却剂泵，用于为冷却剂循环提供动力。
优选地，上述热电交换冷启动预热及废热能量回收系统还包括DC/DC转换器，电池组、DC/DC转换器和热电发生器依次电联接；具体地，该系统包括第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器，电池组、第一DC/DC转换器和热电发生器通过预热电路依次电联接，第一DC/DC转换器将电池组的电能转换为适合热电发生器的电能，从而加热冷却剂；热电发生器、第二DC/DC转换器和电池组通过充电电路依次电联接，第二DC/DC转换器将热电发生器再生的电能转换为适合电池组的电能，为电池组充电。
优选地，上述热电交换冷启动预热及废热能量回收系统还包括电子控制单元(ECU)和电池组温度传感器，电子控制单元与电池组温度传感器、热电发生器、散热器和三向阀分别相连；电子控制单元(ECU)接收来自电池组温度传感器的信号，通过控制热电发生器、散热器和三向阀，来实现上述热电交换冷启动预热及废热能量回收系统的电池组预热(Battery Warm-Up,BWP)模式和废热回收(Waste Heat Recovery,WHR)模式。
本发明另一方面提供使用上述冷启动预热及废热能量回收系统进行冷启动预热及废热能量回收的方法，该方法包括以下模式一(电池组预热模式)或模式二(废热回收模式)的步骤：
模式一：当电池组进行冷启动时，使电池组向热电发生器供电，来自电池组的冷却剂流经热电发生器，热电发生器将来自电池组的电能转化为热能并基于珀尔帖效应(Peltier effect)加热冷却剂，被加热的冷却剂回到电池组；
模式二：当电池组达到或超过最佳工作温度时，使电池组停止向热电发生器供电，热电发生器基于塞贝克效应(Seebeck effect)提取冷却剂中的部分热量转化为电能，为电池组充电。
电子控制单元接收电池组的温度信号，控制冷启动预热及废热能量回收系统在模式一或模式二下运行。
当电池组进行冷启动时，通过控制三向阀使冷却剂不流经散热器。
以上提到的“相连”，除特别说明是“直接相连”外，既可以是通过管路直接相连，也可以是通过管路以及其它装置/设备间接相连；以上提到的“直接相连”就指通过管路直接相连；上述电池组可以是电动汽车的动力电池组(二次电池)。
有益效果：本发明的热电交换冷启动预热及废热能量回收系统及方法能够使动力电池组快速冷启动，且能够进行高效能量回收，节能减排，增大续航里程。
附图说明
图1是热电交换冷启动预热及废热能量回收系统的连接关系示意图。
图1中的附图标记分别表示：
1-电池组；2-热电发生器；3-散热器；4-三向阀；5-冷却剂泵；6-第一DC/DC转换器；7-第二DC/DC转换器；8-电子控制单元；9-冷却剂出口；10-冷却剂入口；11-冷却剂循环管路；12-散热器入口；13-散热器出口；14-旁路管路；15-预热电路；16-充电电路。
图中箭头表示流体流动方向、电流流动方向或信号传输方向。
具体实施方式
以下具体实施方式给出了一些具体细节以便理解本发明。然而，本领域技术人员应当理解，本发明的技术方案可以在没有这些细节的情况下实践。需要注意的是，为了便于理解，附图中所示出的各部分的尺寸并非按照实际比例进行绘制。对于本领域技术人员已知的技术在此可能不作详细描述，但应当被视为说明书的一部分。
如图1所示，一种热电交换冷启动预热及废热能量回收系统，包括电池组1、热电发生器2、散热器3、三向阀4、冷却剂泵5、第一DC/DC转换器6、第二DC/DC转换器7、电子控制单元8(ECU)和电池组温度传感器(图中未示出)。
电池组1设置有冷却剂出口9和冷却剂入口10，冷却剂出口9、热电发生器2、三向阀4、散热器3、冷却剂泵5和冷却剂入口10通过冷却剂循环管路11依次相连，形成冷却剂循环回路；冷却剂出口9和冷却剂入口10用于将电池组1的冷却剂排出至冷却剂循环管路11，并经过热电发生器2等的处理后重新回到电池组1；散热器3设置有散热器入口12和散热器出口13，三向阀4与散热器出口13通过旁路管路14直接相连，散热器3用于在废热回收(WasteHeat Recovery,WHR)模式下对冷却剂进行降温，可在不需要对冷却剂进行降温或对冷却剂进行少量降温的情况下，通过控制三向阀4来使部分或全部冷却剂流经旁路管路14而不流经散热器3，灵活控制冷却剂温度。
电池组1、第一DC/DC转换器6和热电发生器2通过预热电路15依次电联接，第一DC/DC转换器6将电池组1的电能转换为适合热电发生器2的电能，从而加热冷却剂，通过加热冷却剂进而实现电池组1快速冷启动；热电发生器2、第二DC/DC转换器7和电池组1通过充电电路16依次电联接，第二DC/DC转换器7将热电发生器2再生的电能转换为适合电池组1的电能，从而回收电池组1运行过程中产生的多余热量。
电子控制单元8(ECU)与电池组温度传感器、热电发生器2、散热器3和三向阀4分别相连；电子控制单元8接收来自电池组温度传感器的信号，通过控制热电发生器2、散热器3和三向阀4，来实现上述热电交换冷启动预热及废热能量回收系统的电池组预热(BatteryWarm-Up,BWP)模式和废热回收(Waste Heat Recovery,WHR)模式。
使用上述冷启动预热及废热能量回收系统进行冷启动预热及废热能量回收的方法包括以下步骤：
当电池组1进行冷启动时，上述冷启动预热及废热能量回收系统启动电池组预热(Battery Warm-Up,BWP)模式，冷却剂在冷却剂泵5的作用下在冷却剂循环回路中循环，并流经热电发生器2；电池组1向热电发生器2供电，基于珀尔帖效应(Peltier effect)，热电发生器2将来自电池组1的电能转化为热能，热电发生器2加热冷却剂，被加热的冷却剂回到电池组1，从而提高电池组1温度，使电池组1温度快速升高至最佳工作温度。
当电池组1达到或超过最佳工作温度时，上述冷启动预热及废热能量回收系统启动废热回收(Waste Heat Recovery,WHR)模式，电池组1停止向热电发生器2供电，冷却剂在冷却剂泵5的作用下在冷却剂循环回路中循环，并流经热电发生器2；基于塞贝克效应(Seebeck effect)，热电发生器2提取冷却剂中的部分热量转化为电能，为电池组1充电。

Claims (6)

1.一种热电交换冷启动预热及废热能量回收系统，其特征在于，包括电池组、热电发生器、散热器和三向阀，所述电池组设置有冷却剂出口和冷却剂入口，所述冷却剂出口、热电发生器、三向阀、散热器和冷却剂入口通过冷却剂循环管路依次相连；所述电池组与所述热电发生器电联接；所述散热器在废热回收模式下对冷却剂进行降温，所述散热器设置有散热器入口和散热器出口，所述三向阀与所述散热器出口通过旁路管路直接相连，所述散热器在电池组预热模式下不启动，控制三相阀启动，使冷却剂全部经旁路管路14不流经散热器；所述热电交换冷启动预热及废热能量回收系统还包括第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器，所述电池组、第一DC/DC转换器和热电发生器通过预热电路依次电联接；所述热电发生器、第二DC/DC转换器和电池组通过充电电路依次电联接。
2.根据权利要求1所述的热电交换冷启动预热及废热能量回收系统，其特征在于，该系统还包括设置在冷却剂循环管路上的冷却剂泵。
3.根据权利要求1所述的热电交换冷启动预热及废热能量回收系统，其特征在于，该系统还包括电子控制单元和电池组温度传感器，所述电子控制单元与所述电池组温度传感器、热电发生器、散热器及三向阀分别相连。
4.一种使用权利要求1～3中任意一项所述热电交换冷启动预热及废热能量回收系统的热电交换冷启动预热及废热能量回收方法，其特征在于，该方法包括以下模式一或模式二的步骤：
模式一：当电池组进行冷启动时，使所述电池组向所述热电发生器供电，所述热电发生器将来自所述电池组的电能转化为热能并加热冷却剂，被加热的冷却剂通过旁路管路14回到电池组，从而提高电池组1温度；
模式二：当电池组达到或超过最佳工作温度时，使所述电池组停止向所述热电发生器供电，第二DC/DC转换器将热电发生器再生的电能转换为适合电池组的电能，为电池组充电；经过热电发生器加热的冷却液通过冷却剂出口流入冷却剂循环管路11，通过散热器3对冷却剂进行降温，重新回到电池组。
5.根据权利要求4所述的热电交换冷启动预热及废热能量回收方法，其特征在于，电子控制单元接收电池组的温度信号，控制冷启动预热及废热能量回收系统在所述模式一或模式二下运行。
6.根据权利要求4所述的热电交换冷启动预热及废热能量回收方法，其特征在于，当电池组在模式下进行冷启动时，通过控制三向阀使冷却剂不流经散热器。
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